杨守帅

摘 要：本文阐述了刀具振动的3大原因和由于振动导致的4大危害，并分别从减小切削力、增强刀具系统的静态刚性、使用消减装置等方面，详细论述了消除或减小振动的多项措施。

关键词：刀具;振动;切削力

中图分类号：TG714 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0031-04

Abstract： Three reasons of cutter vibration and 4 harms caused by vibration was elaborated in this paper. Several measures for eliminating or reducing vibration were discussed in detail from the aspects of reducing cutting force， enhancing static rigidity of tool system and using eliminating device.

Keywords： cutter;vibration;cutting force

1 刀具振动的原因

切削加工过程中不可避免会产生振动。振动主要分为设备本身的振动、加工工况引起的振动和刀具切削产生的振动。

1.1 设备本身的振动

设备本身的振动即电动机启动和主轴旋转引起的振动。设备本身的振动又称为强迫振动，与设备自身的刚度（机床的结构、地基、丝杆间隙、主轴的优劣）、车间地基的质量以及周围环境有关（其他重型设备振动的干扰，甚至车间附近火车经过的振动等）[1]。

1.2 加工工况引起的振动

由于零部件的结构类型、整体刚性以及装夹原因等因素造成加工工况恶劣会引起振动。

①结构类型引起的振动主要是由于工件整体刚性不足，需要增加工艺支撑，加固切削加工过程中的工件刚性。

②工装装夹位置未能抵消主切削力，需要优化夹具夹紧方式或者改变装夹位置，减小切削振动。

1.3 刀具切削产生的振動

刀具切削产生的振动称为切削振动又称为自激振动。刀具切削过程中，由于切削力的变化导致刀具振动，振动大小与刀柄或刀杆的直径、长度和刚性有关。在长悬伸刀具的镗、铣加工和薄壁工件、细长轴的加工中，不可避免地存在振动。

本文主要探讨切削过程中由于各种切削条件引起的振动，分析如下。

①在切削过程中，刀片由于切深、材料纯度以及切屑的形成等因素影响，切削刃处产生的切削力发生变化产生振动;断续切削（如铣刀等多齿刀具）振动比连续切削（如车刀、刨刀等）振动大。

②切削参数选用不合理，如切削速度过高、过低，切深大于刀尖角或者小于刀尖角，进给量的大小等，都将产生振动。

③当被加工零件的材质不均匀，零件不能准确定位或装夹，加工余量大或者表面留有黑皮、焊道等，都会引起切削力突然变大或减小而引起振动。

④切削不稳定，屑形不合适或排屑受阻，导致振动。

⑤刀具的本身设计与装夹结构是导致振动的重要因素，如刀尖的角度和刀尖的圆弧角选择不当、刀杆装夹刚度低等。

2 振动的危害

振动的危害主要包括以下4种：

①振动会降低工件加工精度，增大表面粗糙度，使工件表面出现振纹;②振动会加剧刀具的磨损，降低刀具寿命，而长期振动会加速设备的老化;③振动会产生噪声，尤其高频啸叫，对操作工人危害大，其噪音成为公害;④由于种种原因引起强烈振动，可使加工无法进行，甚至导致零部件加工报废[2]。

3 消除振动的措施

3.1 减小切削力

3.1.1 选用锋利的刀具。刀片按种类分为涂层刀片和非涂层刀片。涂层刀片分为PVD（物理涂层）和CVD（化学涂层）。PVD涂层厚度相比CVD涂层厚度薄，且PVD刀具也更锋利。非涂层刀具不需要钝化处理，可刃磨至非常锋利。所以，在考虑降低切削力时，可选择物理涂层或非涂层刀具。

3.1.2 正确的刀尖圆弧。刀尖圆弧半径越小，切削力越小，切削越轻快。粗加工时，应选择大的刀尖圆弧半径，切削力大，耐冲击。精加工时，选择小的刀尖圆弧半径，切削力小，加工精度高。

3.1.3 切深与刀尖圆弧半径的关系。切深一定时，刀尖圆弧半径的变化直接影响切削力的变化。设ap为切深，r为刀尖圆弧半径，如图1所示。当刀尖圆弧半径大于切深时，径向力最大;刀尖圆弧半径等于切深时，径向力和轴向力相当;刀尖圆弧半径小于切深时，轴向力最大。在车削细长轴类、薄壁类零件时最为明显，增大切深后，振动会减小。

3.1.4 主偏角的影响。在深孔镗或铣削加工时，应选择主偏角90°或接近于90°的刀具，因为此类刀具轴向切削力最大，同时径向切削力最小，促使刀具在切削时稳定。此状态切削过程中振动最小，如图2所示。

3.1.5 刀片的锲入角和断屑槽。选用正前角、大后角刀片，此类刀片锲入角最小，切削轻快。此外，针对材料特性选用合适的断屑槽型，保证排屑顺利。

3.1.6 切削三要素。切削三要素选择是否合适，是影响切削力大小的重要因素。比如，转速过高、过低，切深或进给过大、过小，直接影响切削力大小。在工况稳定情况下，降低转速、减小切深、降低进给，可减小切削力。

3.2 增强刀具系统的静态刚性

3.2.1 增强刀具的整体静态刚性。静态刚性与刀具的材质和结构有关。静态刚性K为：

其中：E为刀杆材质的弹性系数;I为惯量;L为刀杆悬臂长度;D为刀杆直径。可见，如果提高K（静态刚性），应减少L（刀杆悬臂长度）或者增大D（刀杆直径）。

3.2.2 提高刀具的抗振性。刀具要具有高的抗振性，必须具有高的阻尼系數、高的抗弯性能、高的扭转刚度。所以，要优化、改进刀具的阻尼系数、弹性模量和惯性矩等。比如，对钢制刀杆中镶入高弹性模数的材料，提高刀具的抗振性，如图3所示。

3.2.3 提高刀具安装时的刚性。对于长刀杆（深孔镗刀等），在尽可能加大刀杆直径和减小悬伸外，改善刀杆的夹持方法也很重要，如图4所示。

开口套（件号4）和哈呋（件号5）压紧方式，夹紧效果较好;而靠螺钉顶紧式（件号6）刀杆，为点接触和线接触，压强太大，若是硬质合金刀杆易断裂，刀具振动时易相对晃动。

刀杆夹持部分长度，刀杆直径与伸出长度之比即长径比为10∶1时，夹持部分应大于等于4倍的刀杆直径。长径比增大，夹持部分也应该适当增大，如图5所示。图5中，[L=10d]，[L1=4d]。

加工中心的刀柄分整体式刀柄和模块式组合刀柄。从表面上看，模块式刀柄应比整体式刀柄刚性差，但事实上并不一定。目前，模块化接口是先进的短锥大端面双定位面系统，即过定位安装。实际上，当加工精度很高时，圆锥面和端面同时接触（拉紧后锥面仅产生微量变形）。比如，capto刀柄系统重复定位精度为±0.002mm，较高的抗弯、抗扭特性使刀柄系统刚性得以保证。传统的7∶24刀柄系统完全靠锥面定位，刀柄端面和机床主轴端面是不接触的。当然，刀具部分模块接口越多，刀杆越长，产生的挠变仍然容易产生振动。

3.2.4 提高工件安装时的刚性。这主要是提高工件的弯曲刚性和整体刚性，如细长轴的车削中使用中心架和跟刀架，用长悬臂刀杆镗削深孔或薄壁孔时使用中心架等[3]。

3.3 使用消减装置

刀具在切削过程中对刀具内腔或外部设计干挠装置，打乱切削振频，达到减小振动的目的。

3.3.1 液体摩擦减振器。液体摩擦减振器是一种动力减振器，原理是内部安装的辅助质量在运动时产生液体摩擦力和惯性力使其减小振动，如图6所示。

3.3.2 冲击减振器。利用两物体相互碰撞后动能损失的原理，在振动体上安装一个或多个起冲击作用的自由质量。当刀具振动时，引起自由质量振动，同时碰撞刀体，干挠振频，消减能量，减小振动，如图7所示。

3.3.3 设计要点。液体摩擦减振和冲击减振是人为制造外部或内部干挠振动。要实现冲击减振，首先要使自由质量m对振动体M产生稳态周期冲击运动，即在每个振动周期内，m和M分别碰撞一次。为此通过试验，选择合适的间隙[δ]是关键。因为[δ]在某些特定范围内才能实现稳定周期冲击运动，同时希望m与M都以最大速度运动时进行碰撞，以获得有力的碰撞条件，造成最大的能量损失。自由质量m越大，碰撞时消耗的能量越多。因此，在结构允许的条件下，选用尽可能大的质量比[μ=m/M]。在卷绕头套筒加工中，曾选用铅做冲击块，但磨损较快，减振效果时好时坏。若采用硬质合金，预期效果较好，但价格较贵。

①将冲击块安装在振幅最大的位置，可提高减振效果。

②增加自由质量可提高减振效果，但可能受到刀杆结构、加工等限制（只能在有限的空间内）。

③自由质量在振动体内运动，二者在接触面产生的干摩擦力对减振效果有一定的影响。

经过国内外专家们总结的资料和实践经验证明，采用减振刀杆确实能起到防振效果。钢制刀杆的悬伸量不能超过3倍，硬质合金刀杆的悬伸量不能超过5倍，采用减振刀杆可达到5倍以上。减振刀杆靠增强刀具的动态刚性，可达12∶1。公司进口某品牌刀具特殊减振刀杆（即同时增强刀具的动态刚性（减振系统）和静态刚性（加硬质合金套））长径比达14∶1。

4 结语

刀具切削产生的振动与消除是一个重大的研究课题，没有振动的稳定切削是不存在的，即振动不可避免，需抑制振动、降低振动的危害。降低切削力，提高刀具系统刚性，可以降低振动，但有时会以降低生产效率为代价。所以，在实际生产过程中，要综合考虑多种因素，多措并举，减少振动，提高零部件的加工质量和效率。

参考文献：

[1]袁哲俊，刘华明.刀具设计手册[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2]陈家坊.最新金属切削加工工艺实用手册[M].上海：金盾出版社，2006.

[3]郝明，郭锐.数控刀具选用指南[M].北京：机械工业出版社，2014.